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1、LOGO第 八 章 霍 爾 傳 感 器 霍 爾 型 傳 感 器 是 磁 電 轉(zhuǎn) 換 的 一 種 傳 感 器 。 1879年 霍 爾 在 金 屬 材 料 中 發(fā) 現(xiàn) 的 ， 已 有 一 百 多 年 的 歷 史 ，由 于 霍 爾 效 應(yīng) 在 金 屬 中 非 常 微 弱 ， 只 是 在 大 學(xué) 的 教科 書 中 作 為 一 種 理 論 而 存 在 ， 并 未 付 諸 實(shí) 際 應(yīng) 用 。直 到 100多 年 以 后 ， 大 約 到 上 世 紀(jì) 四 十 年 代 后 期 ， 半導(dǎo) 體 工 藝 的 成 熟 ， 科 學(xué) 家 利 用 半 導(dǎo) 體 工 藝 重 新 試 驗(yàn)霍 爾 效 應(yīng) ， 結(jié) 果 發(fā) 現(xiàn) ： 半

2、 導(dǎo) 體 工 藝 （ P或 N型 ） 都 可以 再 現(xiàn) 霍 爾 效 應(yīng) 現(xiàn) 象 ， 并 金 屬 霍 爾 元 件 的 公 式 半 導(dǎo)體 霍 爾 元 件 可 得 到 同 樣 的 結(jié) 論 ， 而 且 N型 半 導(dǎo) 體 尤其 明 顯 。 使 霍 爾 效 應(yīng) 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 我 國(guó) 大 約 到上 世 紀(jì) 七 十 年 代 開 始 研 究 霍 爾 元 件 ， 已 能 生 產(chǎn) 各 種性 能 霍 爾 元 件 ， 例 如 ： 普 通 型 、 高 靈 敏 度 型 、 低 溫度 系 數(shù) 型 、 測(cè) 溫 測(cè) 磁 性 和 開 關(guān) 型 等 。 第 一 節(jié) 霍 爾 元 件 的 工 作 原 理 及 特 性v金

3、 屬 或 半 導(dǎo) 體 薄 片 置 于 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 B的 磁 場(chǎng)中 ， 磁 場(chǎng) 方 向 垂 直 于 薄 片 ， 當(dāng) 有 電 流 流 過 薄 片時(shí) ， 在 垂 直 于 電 流 和 磁 場(chǎng) 的 方 向 上 將 產(chǎn) 生 電 動(dòng)勢(shì) ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 霍 爾 效 應(yīng) 。 如 圖 所 示 。 霍 爾 效 應(yīng) 原 理 圖 v霍 爾 效 應(yīng) 所 產(chǎn) 生 的 電 勢(shì) 稱 霍 爾 電 勢(shì) ， 大 小 與 控制 電 流 I和 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B的 乘 積 成 正 比 例 。 半 導(dǎo)體 薄 片 稱 霍 爾 片 或 者 霍 爾 元 件 。 在 磁 場(chǎng) B中 運(yùn) 動(dòng) 的 電 子 將 受 到 Lor

4、entz力 fL fL=evB 偏 轉(zhuǎn) ,建 立 的 霍 爾 電 場(chǎng) EH 對(duì) 隨 后 的 運(yùn) 動(dòng) 電 子 施 加 一 電 場(chǎng) 力 fE fE=eEH =eUH /b 平 衡 時(shí) ， fL = fE， 即 evB= eUH /b由 于 電 流 密 度 J=-nev(v為 電 子 運(yùn) 動(dòng) 速 度 )， 則 電 流 強(qiáng) 度 為 I=-nevbd 所 以 式 中 ， d霍 爾 片 度 ； n電 子 濃 度 ； R H =1/ne霍 爾 系 數(shù) ；KH =RH /d=1/ned霍 爾 靈 敏 度 。 從 式 evB= e UH /b知 ， 霍 爾 電 壓 UH 與 載 流 子 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度v有

5、 關(guān) ，即 與 載 流 子 的 遷 移 率 有 關(guān) 。 由 于 = v/El(El為 電 流 方 向 上的 電 場(chǎng) 強(qiáng) 度 )， 材 料 的 電 阻 =1/ne， 所 以 霍 爾 系 數(shù) RH 與 載流 體 材 料 的 電 阻 率 和 載 流 子 的 遷 移 率 的 關(guān) 系 為 RH = 金 屬 導(dǎo) 體 ： 大 ， 但 小 （ n大 ） ； 絕 緣 體 ： 大 （ n小 ） ， 但 小 ；它 們 都 不 宜 作 霍 爾 元 件 (RH 太 小 )。 半 導(dǎo) 體 ： 、 適 中 適 宜 作 霍 爾 元 件 。 霍 爾 電 壓 UH 還 與 元 件 的 幾 何 尺 寸 有 關(guān) ： KH =1/n

6、ed厚 度 d越 小 越 好 ， 一 般 d=0.01mm； 寬 度 b加 大 ， 或 長(zhǎng) 寬 比 （ l/b） 減 小 時(shí) ， 將 會(huì) 使 UH 下 降 ，應(yīng) 加 以 修 正式 中 ， f(l/b)形 狀 效 應(yīng) 系 數(shù) ， 如 表 9-2所 示 。 一 般 取l/b=22.5， 則 f(l/b)1， 就 足 夠 了 。 霍 爾 元 件 示 意 圖a)原 理 圖 ； b)結(jié) 構(gòu) 圖 ； c)圖 形 符 號(hào) ； d)外 形 圖 v 霍 爾 元 件 主 要 技 術(shù) 參 數(shù)v 1.輸 入 電 阻 Ri和 輸 出 電 阻 Rov Ri Ro， Ri、 Ro=1002000。v 2.額 定 控 制

7、 電 流 Ic使 霍 爾 元 件 在 空 氣 中 產(chǎn) 生 10C溫 升 的v 控 制 電 流 Ic=(幾 幾 十 )mA。v 3.不 等 位 電 勢(shì) U0和 不 等 位 電 阻 R0v 霍 爾 元 件 在 額 定 控 制 電 流 作 用 下 ， 不 加 外 磁 場(chǎng) 時(shí) 其 霍 爾v 電 極 間 的 電 勢(shì) 為 不 等 位 電 勢(shì) U0， 主 要 是 由 于 兩 電 極 不 在 同v 一 等 位 面 上 以 及 材 料 電 阻 率 不 均 勻 等 因 素 引 起 的 ， 一 般v U0 10mV。 等 效 為 不 等 為 電 阻 R0= U0 /Ic。v 4.靈 敏 度 KHv 在 單 位 磁

8、感 強(qiáng) 度 下 ， 通 以 單 位 控 制 電 流 時(shí) 所 產(chǎn) 生 的 開 路v 霍 爾 電 壓 （ mV/mAT或 mV/mAkGs） 。 v 5.寄 生 直 流 電 勢(shì) UoDv 在 不 加 外 磁 場(chǎng) 時(shí) ， 交 流 控 制 電 流 通 過 霍 爾 元 件 而 在 霍 爾v 電 極 間 產(chǎn) 生 的 直 流 電 勢(shì) 為 寄 生 直 流 電 勢(shì) UoD。 它 主 要 是 由v 于 電 極 與 霍 爾 片 間 的 非 完 全 歐 姆 接 觸 所 產(chǎn) 生 的 整 流 效 應(yīng) 造v 成 的 。v 6.霍 爾 電 勢(shì) 溫 度 系 數(shù) v 為 溫 度 變 化 1C時(shí) ， 霍 爾 電 勢(shì) 變 化 的

9、百 分 率 （ %/C） 。v 7.電 阻 溫 度 系 數(shù) v 為 溫 度 變 化 1C時(shí) ， 霍 爾 元 件 電 阻 變 化 的 百 分 （ %/C）v 8.靈 敏 度 溫 度 系 數(shù) v 為 溫 度 變 化 1C時(shí) ， 霍 爾 元 件 靈 敏 度 的 變 化 率 。v 9.線 性 度 v基 本 誤 差 及 其 補(bǔ) 償v溫 度 誤 差 及 其 補(bǔ) 償v 溫 度 變 化 ， 導(dǎo) 致 霍 爾 元 件 內(nèi) 阻 （ Ri、 Ro)和 霍 爾 靈 敏 度（ KH） 等 變 化 ， 給 測(cè) 量 帶 來 一 定 誤 差 ， 即 溫 度 誤 差 。為 了 減 溫 度 誤 差 ， 需 采 取 溫 度 補(bǔ) 償

10、 措 施 。 1.采 用 恒 流 源 供 電 和 輸 入 回 路 并 聯(lián) 電 阻 溫 度 變 化 引 起 霍 爾 元 件 輸 入 電 阻 Ri變 化 ， 在 穩(wěn) 壓 源 供電 時(shí) ， 使 控 制 電 流 變 化 ， 帶 來 誤 差 。 為 了 減 小 這 種 誤 差 ，最 好 采 用 恒 流 源 (穩(wěn) 定 度 0.1%)提 供 控 制 電 流 。 但 靈 敏 度系 數(shù) KH 也 是 溫 度 的 函 數(shù) ， 因 此 采 用 恒 流 源 后 仍 有 溫 度 誤差 。 為 了 進(jìn) 一 步 提 高 UH 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 ， 對(duì) 于 具 有 正 溫 度系 數(shù) 的 霍 爾 元 件 ， 可 在 其

11、 輸 入 回 路 并 聯(lián) 電 阻 R， 如 圖 所示 。 恒 流 源 及 輸 入 并 聯(lián) 電 阻 溫 度 補(bǔ) 償 電 路 由 補(bǔ) 償 電 路 圖 知 ， 在 溫 度 t0和 t時(shí) (9-8)(9-9)(9-10)(9-11)當(dāng) 溫 度 影 響 完 全 補(bǔ) 償 時(shí) ， UH 0=UH t， 則 (9-12)將 式 (9-8)式 (9-11)代 入 式 (9-12)， 可 得 (9-13,14) v 2 選 取 合 適 的 負(fù) 載 電 阻 RLv 霍 爾 元 件 的 輸 出 電 阻 R。 和 霍 爾 電 勢(shì) 都 是 溫 度 的 函 數(shù)(設(shè) 為 正 溫 度 系 數(shù) )， 霍 爾 元 件 應(yīng) 用

12、時(shí) ， 其 輸 出 總 要 接 負(fù)載vRL(如 電 壓 表 內(nèi) 阻 或 放 大 器 的 輸 入 阻 抗 等 )。 當(dāng) 工 作 溫 度改 變 時(shí) ， 輸 出 電 阻 R。 的 變 化 必 然 會(huì) 引 起 負(fù) 載 上 輸 出 電勢(shì) 的 變 化 。 RL上 的 電 壓 為式 中 ， R o0溫 度 為 t0時(shí) 霍 爾 元 件 的 輸 出 電 阻 。 要 使 負(fù) 載 電 壓 UL不 隨 溫 度 變 化 ， 即 v3.采 用 恒 壓 源 和 輸 入 回 路 串 聯(lián) 電 阻v 當(dāng) 霍 爾 元 件 采 用 穩(wěn) 壓 源 供 電 ， 且 霍 爾 輸 出 開路 狀 態(tài) 下 工 作 時(shí) ， 可 在 輸 入 回 路

13、 中 串 人 適 當(dāng) 電阻 來 補(bǔ) 償 溫 度 誤 差 ， 其 分 析 過 程 與 結(jié) 果 同 式 溫 度 誤 差 及 其 補(bǔ) 償v溫 度 誤 差 產(chǎn) 生 原 因 ：v 霍 爾 元 件 的 基 片 是 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 因 而 對(duì) 溫度 的 變 化 很 敏 感 。 其 載 流 子 濃 度 和 載 流 子 遷 移率 、 電 阻 率 和 霍 爾 系 數(shù) 都 是 溫 度 的 函 數(shù) 。v 當(dāng) 溫 度 變 化 時(shí) ， 霍 爾 元 件 的 一 些 特 性 參 數(shù) ，如 霍 爾 電 勢(shì) 、 輸 入 電 阻 和 輸 出 電 阻 等 都 要 發(fā) 生變 化 ， 從 而 使 霍 爾 式 傳 感 器 產(chǎn) 生

14、 溫 度 誤 差 。 減 小 霍 爾 元 件 的 溫 度 誤 差 v選 用 溫 度 系 數(shù) 小 的 元 件v采 用 恒 溫 措 施v采 用 恒 流 源 供 電 恒 流 源 溫 度 補(bǔ) 償 霍 爾 元 件 的 靈 敏 系 數(shù) 也 是 溫 度 的 函 數(shù) ， 它 隨 溫 度 的 變 化 引 起霍 爾 電 勢(shì) 的 變 化 ， 霍 爾 元 件 的 靈 敏 系 數(shù) 與 溫 度 的 關(guān) 系 K H 0 為 溫 度 T0時(shí) 的 K H 值 ； 溫 度 變 化 量 ； 霍 爾 電 勢(shì) 的 溫 度 系 數(shù) 。 v大 多 數(shù) 霍 爾 元 件 的 溫 度 系 數(shù) 是 正 值 時(shí) ，v它 們 的 霍 爾 電 勢(shì)

15、 隨 溫 度 的 升 高 而 增 加 （ 1+ t）倍 。v同 時(shí) ， 讓 控 制 電 流 I相 應(yīng) 地 減 小 ， 能 保 持 KHI不變 就 抵 消 了 靈 敏 系 數(shù) 值 增 加 的 影 響 。 恒 流 源 溫 度 補(bǔ) 償 電 路 當(dāng) 霍 爾 元 件 的 輸 入 電 阻 隨 溫 度 升 高 而 增 加 時(shí) ，旁 路 分 流 電 阻 自 動(dòng) 地 加 強(qiáng) 分 流 ， 減 少 了 霍 爾 元 件 的 控 制 電 流 控 制 電 流 溫 度 升 到 T時(shí) ， 電 路 中 各 參 數(shù) 變 為 溫 度 為 T0時(shí)霍 爾 元 件 輸 入 電 阻 溫 度 系 數(shù) ；分 流 電 阻 溫 度 系 數(shù) 。

16、 為 使 霍 爾 電 勢(shì) 不 變 ， 補(bǔ) 償 電 路 必 須 滿 足 : 升 溫 前 、 后 的 霍 爾 電 勢(shì) 不 變 ， 經(jīng) 整 理 ， 忽 略 高 次 項(xiàng) 后 得 當(dāng) 霍 爾 元 件 選 定 后 ， 它 的 輸 入 電 阻 和 溫 度 系數(shù) 及 霍 爾 電 勢(shì) 溫 度 系 數(shù) 可 以 從 元 件 參 數(shù) 表中 查 到 （ 可 以 測(cè) 量 出 來 ） ， 用 上 式 即 可 計(jì) 算出 分 流 電 阻 及 所 需 的 分 流 電 阻 溫 度 系 數(shù) 值 。 第 二 節(jié) 霍 爾 集 成 電 路 將 霍 爾 元 件 及 其 放 大 電 路 、 溫 度 補(bǔ) 償 電 路 和穩(wěn) 壓 電 源 等

17、 集 成 在 一 個(gè) 芯 片 上 構(gòu) 成 獨(dú) 立 器 件 集成 霍 爾 器 件 ， 不 僅 尺 寸 緊 湊 便 于 使 用 ， 而 且 有 利于 減 小 誤 差 ， 改 善 穩(wěn) 定 性 。 根 據(jù) 功 能 的 不 同 ， 集 成 霍 爾 器 件 分 為 霍 爾 線 性集 成 器 件 和 霍 爾 開 關(guān) 集 成 器 件 兩 類 。 v霍 爾 集 成 元 件 是 霍 爾 元 件 與 集 成 運(yùn) 放 一 體 化 的 結(jié) 構(gòu) ，是 一 種 傳 感 器 模 塊 。 可 分 為 線 性 輸 出 型 和 開 關(guān) 輸 出 型兩 大 類 。 線 性 輸 出 型 是 將 霍 爾 元 件 和 恒 流 源 、 線

18、性 放大 器 等 做 在 一 個(gè) 芯 片 上 ， 輸 出 電 壓 較 高 ， 使 用 非 常 方便 ， 已 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 較 典 型 的 線 性 霍 爾 器 件 如UGN3501等 。 而 開 關(guān) 輸 出 型 是 將 霍 爾 元 件 、 穩(wěn) 壓 電 路 、放 大 器 、 施 密 特 觸 發(fā) 器 、 OC門 等 電 路 做 在 同 一 個(gè) 芯 片上 。 當(dāng) 外 加 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 超 過 規(guī) 定 的 工 作 點(diǎn) 時(shí) ， OC門 由 高電 阻 狀 態(tài) 變 為 到 通 狀 態(tài) ， 輸 出 變 為 低 電 平 ， 當(dāng) 外 加 磁場(chǎng) 強(qiáng) 度 低 于 釋 放 點(diǎn) 時(shí) ， OC門 重 新

19、變 為 高 電 阻 狀 態(tài) ， 輸出 高 電 平 。 較 典 型 的 開 關(guān) 型 霍 爾 器 件 如 UGN3020等 。開 關(guān) 輸 出 型 霍 爾 集 成 元 件 與 微 型 計(jì) 算 機(jī) 等 數(shù) 字 電 路 兼容 ， 因 此 ， 應(yīng) 用 相 當(dāng) 廣 泛 。 v集 成 霍 爾 器 件 線 性 集 成 霍 爾 器 件 輸 出 特 性 (a) (b) 線 性 集 成 霍 爾 器 件(a)外 形 尺 寸 ； (b)內(nèi) 部 電 路 框 圖 集 成 霍 爾 器 件 (a) (b)開 關(guān) 型 集 成 霍 爾 器 件(a)外 形 尺 寸 ； (b)內(nèi) 部 電 路 框 圖 開 關(guān) 型 線 性 集 成 霍

20、爾 器 件的 施 密 特 輸 出 特 性 集 成 霍 爾 器 件 (a) (b)差 動(dòng) 輸 出 線 性 集 成 霍 爾 器 件(a)外 形 ； (b)內(nèi) 部 電 路 框 圖 差 動(dòng) 輸 出 線 性 集 成霍 爾 器 件 輸 出 特 性 v 1 霍 爾 線 性 集 成 器 件v 霍 爾 線 性 集 成 器 件 的 輸 出 電 壓 與 外 加 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度在 一 定 范 圍 內(nèi) 呈 線 性 關(guān) 系 ， 它 有 單 端 輸 出 和 雙 端輸 出 (差 動(dòng) 輸 出 )兩 種 電 路 。 其 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。霍 爾 線 性 集 成 器 件 (a)單 端 輸 出 (UG N3501

21、T)； (b)差 動(dòng) 輸 出 (UG N3501M) v UGN3501T的 電 源 電 壓 與 相 對(duì) 靈 敏 度 的 特 性 如圖 所 示 ， 由 圖 可 知 Ucc高 時(shí) ， 輸 出 靈 敏 度 高 。UGN3501T的 溫 度 與 相 對(duì) 靈 敏 度 的 特 性 如 圖 所 示 ，隨 著 溫 度 的 升 高 ， 其 靈 敏 度 下 降 。 因 此 ， 若 要 提高 測(cè) 量 精 度 ， 需 在 電 路 中 增 加 溫 度 補(bǔ) 償 環(huán) 節(jié) 。 Ucc與 相 對(duì) 靈 敏 度 關(guān) 系 溫 度 與 相 對(duì) 靈 敏 度 關(guān) 系 v UGN3501T的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 與 輸 出 電 壓 特 性

22、 如 圖 所示 ， 由 圖 可 見 ， 在 0.15T磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 范 圍 內(nèi) ， 有 較好 的 線 性 度 ， 超 出 此 范 圍 時(shí) 呈 飽 和 狀 態(tài) 。UGN3501的 空 氣 間 隙 與 輸 出 電 壓 特 性 如 圖 所 示 ，由 圖 可 見 ， 輸 出 電 壓 與 空 氣 間 隙 并 不 是 線 性 關(guān) 系 。 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 與 輸 出 電 壓 關(guān) 系 空 氣 間 隙 與 輸 出 電 壓 關(guān) 系 UG N3501M為 差 動(dòng) 輸 出 ， 輸 出 與 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 成 線 性 。 UG N3501M的 1、8兩 腳 輸 出 與 磁 場(chǎng) 的 方 向 有 關(guān) ， 當(dāng) 磁 場(chǎng) 的

23、 方 向 相 反 時(shí) ， 其 輸 出 的 極 性 也相 反 ， 如 圖 所 示 。 UG N3501M的 輸 出 與 磁 場(chǎng) 方 向 關(guān) 系 v UGN3501M的 5、 6、 7腳 接 一 調(diào) 整 電 位 器 時(shí) ，可 以 補(bǔ) 償 不 等 位 電 勢(shì) ， 并 且 可 改 善 線 性 ， 但 靈 敏度 有 所 下 降 。 若 允 許 一 定 的 不 等 位 電 勢(shì) 輸 出 ， 則可 不 接 電 位 器 。 輸 出 特 性 如 圖 所 示 。 UG N3501M輸 出 與 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 關(guān) 系 圖 v 若 以 UGN3501M的 中 心 為 原 點(diǎn) ， 磁 鋼 與UGN3501M的 頂 面

24、 之 間 距 離 為 D， 則 其 移 動(dòng) 的 距離 與 輸 出 的 差 動(dòng) 電 壓 如 圖 所 示 ， 由 圖 可 以 看 出 ，在 空 氣 間 隙 為 零 時(shí) ， 每 移 動(dòng) 0.01英 寸 (0.254mm)輸 出 為 3mV， 即 相 當(dāng) 11.8mV/mm， 當(dāng) 采 用 高 能 磁 鋼 (如 釤 鈷 磁 鋼 或 釹 鐵 硼 磁 鋼 )， 每 移 動(dòng) 1mm時(shí) ， 能 輸 出 30mV， 并 且 在 一 定 距 離 內(nèi) 呈 線 性 。 移 動(dòng) 距 離 與 輸 出 關(guān) 系 v 2 霍 爾 開 關(guān) 集 成 器 件v 常 用 的 霍 爾 開 關(guān) 集 成 器 件 有 UGN3000系 列 ，

25、其 外 形 與 UGN3501T相 同 。 +霍 爾 開 關(guān) 集 成 器 件(a) 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 框 圖 ； （ b） 工 作 特 性 ； （ c） 工 作 電 路 ； （ d） 鎖 定 型 器 件 工 作 特 性 第 三 節(jié) 霍 爾 傳 感 器 應(yīng) 用 v霍 爾 電 勢(shì) 是 關(guān) 于 I、 B、 三 個(gè) 變 量 的 函 數(shù) ， 即E=kIBcos ， 人 們 利 用 這 個(gè) 關(guān) 系 可 以 使 其 中 兩 個(gè) 變 量不 變 ， 將 第 三 個(gè) 量 作 為 變 量 ， 或 者 固 定 其 中 一 個(gè) 量 、其 余 兩 個(gè) 量 都 作 為 變 量 。 三 個(gè) 變 量 的 多 種 組 合 使 得

26、 霍爾 傳 感 器 具 有 非 常 廣 闊 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 霍 爾 傳 感 器 由 于結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 尺 寸 小 、 無 觸 點(diǎn) 、 動(dòng) 態(tài) 特 性 好 、 壽 命 長(zhǎng) 等特 點(diǎn) ， 因 而 得 到 了 廣 泛 應(yīng) 用 。 如 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 、 電 流 、電 功 率 等 參 數(shù) 的 檢 測(cè) 都 可 以 選 用 霍 爾 器 件 。 它 特 別 適合 于 大 電 流 、 微 小 氣 隙 中 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 、 高 梯 度 磁 場(chǎng)參 數(shù) 的 測(cè) 量 。 此 外 ， 也 可 用 于 位 移 、 加 速 度 、 轉(zhuǎn) 速 等參 數(shù) 的 測(cè) 量 以 及 自 動(dòng) 控 制 。 歸 納

27、起 來 ， 霍 爾 傳 感 器 主要 有 下 列 三 個(gè) 方 面 的 用 途 ： v 維 持 I、 不 變 ， 則 E=f(B)， 在 這 方 面 的 應(yīng) 用有 ： 測(cè) 量 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 的 高 斯 計(jì) 、 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 速 的 霍 爾轉(zhuǎn) 速 表 、 磁 性 產(chǎn) 品 計(jì) 數(shù) 器 、 霍 爾 式 角 編 碼 器 以及 基 于 微 小 位 移 測(cè) 量 原 理 的 霍 爾 式 加 速 度 計(jì) 、微 壓 力 計(jì) 等 ；v 維 持 I、 B不 變 ， 則 E=f( )， 在 這 方 面 的 應(yīng) 用有 角 位 移 測(cè) 量 儀 等 ；v 維 持 不 變 ， 則 E=f(IB)， 即 傳 感 器 的 輸 出

28、 E與 IB的 乘 積 成 正 比 ， 在 這 方 面 的 應(yīng) 用 有 模 擬 乘法 器 、 霍 爾 式 功 率 計(jì) 等 。 電 流 的 測(cè) 量 霍 爾 傳 感 器 廣 泛 用 于 測(cè) 量 電 流 ， 從 而 可 以 制 成 電 流過 載 檢 測(cè) 器 或 過 載 保 護(hù) 裝 置 ； 在 電 機(jī) 控 制 驅(qū) 動(dòng) 中 ， 作為 電 流 反 饋 元 件 ， 構(gòu) 成 電 流 反 饋 回 路 ； 構(gòu) 成 電 流 表 。 UGN3501M霍 爾 電 流 傳 感 器 原 理 如 圖 所 示 。 v上 圖 給 出 了 霍 爾 元 件 用 于 測(cè) 量 電 流 時(shí) 的 工 作 原理 圖 。 標(biāo) 準(zhǔn) 圓 環(huán) 鐵

29、 心 有 一 個(gè) 缺 口 ， 用 于 安 裝 霍爾 元 件 ， 圓 環(huán) 上 繞 有 線 圈 ， 當(dāng) 檢 測(cè) 電 流 通 過 線圈 時(shí) 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) ， 則 霍 爾 傳 感 器 就 有 信 號(hào) 輸 出 。若 采 用 傳 感 器 為 UGN3501M， 當(dāng) 線 圈 為 9 匝 ，電 流 為 20A時(shí) ， 其 電 壓 輸 出 約 為 7.4V。 利 用 這種 原 理 ， 也 可 制 成 電 流 過 載 檢 測(cè) 器 或 過 載 保 護(hù)裝 置 。 位 移 測(cè) 量 v如 圖 （ a)所 示 。 在 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 相 同 而 極 性 相 反 的 兩 個(gè) 磁鐵 氣 隙 中 放 置 一 個(gè) 霍 爾 元 件

30、 。 當(dāng) 元 件 的 控 制 電 流 I恒 定不 變 時(shí) ， 霍 爾 電 勢(shì) 與 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B成 正 比 。 若 磁 場(chǎng) 在一 定 范 圍 內(nèi) 沿 x方 向 的 變 化 梯 度 為 一 常 數(shù) 如 圖 （ b）所 示 。 則 當(dāng) 霍 爾 元 件 沿 x方 向 移 動(dòng) 時(shí) ， 的 變 化 為 : 式 中 K為 位 移 傳 感 器 輸 出 靈 敏 度 。v將 上 式 積 分 后 得 : HV HV v上 式 說 明 ， 霍 爾 電 勢(shì) VH 與 位 移 量 成 線 性 關(guān) 系 ，其 極 性 反 映 了 元 件 位 移 的 方 向 。 磁 場(chǎng) 梯 度 越 大 ，靈 敏 度 越 高 ； 磁

31、 場(chǎng) 梯 度 越 均 勻 ， 輸 出 線 型 度 越好 。 當(dāng) 時(shí) ， 即 元 件 位 于 磁 場(chǎng) 中 間 位 置 上 時(shí) ，VH=0， 這 是 由 于 元 件 在 此 位 置 受 到 大 小 相 等 、方 向 相 反 的 磁 通 作 用 的 結(jié) 果 。 一 般 可 用 來 測(cè) 量12mm 的 小 位 移 ， 其 特 點(diǎn) 是 ： 慣 性 小 ， 響 應(yīng)速 度 快 ， 無 接 觸 測(cè) 量 。 利 用 這 一 原 理 還 可 以 測(cè)量 其 他 非 電 量 ， 如 力 、 壓 力 、 壓 差 、 液 位 和 加速 度 等 。 霍 爾 電 勢(shì) UH與 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B關(guān) 系 曲 線 v霍 爾

32、 功 率 傳 感 器v 利 用 UH =KHIB關(guān) 系 ， 如 果 I和 B是 兩 個(gè) 獨(dú) 立 變量 ， 霍 爾 器 件 就 是 一 個(gè) 簡(jiǎn) 單 實(shí) 用 的 模 擬 乘 法 器 ；如 果 I和 B分 別 與 某 一 負(fù) 載 兩 端 的 電 壓 和 通 過 的電 流 有 關(guān) ， 則 霍 爾 器 件 便 可 用 于 負(fù) 載 功 率 測(cè) 量 。下 圖 是 霍 爾 功 率 傳 感 器 原 理 圖 。 霍 爾 器 件 測(cè) 電 功 率 v 負(fù) 載 ZL所 取 電 流 i流 過 鐵 芯 線 圈 以 產(chǎn) 生 交 變 磁感 強(qiáng) 度 B， 電 源 電 壓 U經(jīng) 過 降 壓 電 阻 R得 到 的 交流 電 流 i

33、c流 過 霍 爾 器 件 ， 則 霍 爾 器 件 輸 出 電 壓 UH便 與 電 功 率 p成 正 比 ， 即則 霍 爾 電 壓 uH 平 均 值 為 若 將 圖 9-26中 的 電 阻 R改 用 電 容 C代 替 ， 使 i c移 相 90， 則可 測(cè) 無 功 功 率 Q， 即 v 霍 爾 元 件 還 可 以 完 成 乘 方 和 開 方 功 能 。v 乘 方 運(yùn) 算 極 為 簡(jiǎn) 單 ， 只 需 將 電 流 端 子 和 電 磁鐵 的 線 圈 串 聯(lián) 起 來 ， 使 輸 入 電 流 Ii既 形 成 磁 感 應(yīng)強(qiáng) 度 B， 又 給 元 件 提 供 控 制 電 流 Ii， 結(jié) 果 必 然 得到 U

34、H Ii2的 關(guān) 系 ， 見 圖 所 示 。 霍 爾 元 件 平 方 器 v 霍 爾 元 件 開 方 器 是 利 用 平 方 負(fù) 反 饋 原 理 實(shí) 現(xiàn)的 。 在 圖 (a)中 ， 設(shè) 放 大 器 的 放 大 倍 數(shù) 足 夠 大 ， 則可 認(rèn) 為 放 大 器 的 輸 入 信 號(hào) 0， 于 是 整 個(gè) 電 路 的輸 入 電 壓 Ui和 負(fù) 反 饋 電 壓 UH幾 乎 相 等 ， 即 Ui UH 。 若 負(fù) 反 饋 方 框 是 用 和 前 圖 一 樣 的 霍 爾 平 方器 構(gòu) 成 的 ， 即 如 圖 (b)所 示 ， 則 輸 出 電 流 Io必 然 正比 于 Ui的 平 方 根 ， 即 故 得

35、霍 爾 元 件 開 方 器 v霍 爾 開 關(guān) 電 子 點(diǎn) 火 器v 圖 為 霍 爾 開 關(guān) 電 子 點(diǎn) 火 器 分 電 盤 及 電 路 原 理 圖 。在 分 電 盤 上 裝 幾 個(gè) 磁 鋼 (磁 鋼 數(shù) 與 汽 缸 數(shù) 相 對(duì) 應(yīng) )，在 盤 上 裝 一 霍 爾 開 關(guān) 器 件 ， 每 當(dāng) 磁 鋼 轉(zhuǎn) 到 霍 爾 器件 時(shí) ， 輸 出 一 個(gè) 脈 沖 ， 經(jīng) 放 大 升 壓 后 送 人 點(diǎn) 火 線圈 。 霍 爾 開 關(guān) 電 子 點(diǎn) 火 器 霍 爾 式 微 壓 力 傳 感 器 v 霍 爾 式 微 壓 力 傳 感 器 的 原 理 如 圖 所 示 。 被 測(cè) 壓 力 使 彈 性 波 紋 膜 盒膨

36、 脹 ， 帶 動(dòng) 杠 桿 向 上 移 動(dòng) ， 從 而 ， 使 霍 爾 器 件 在 磁 路 系 統(tǒng) 中 運(yùn) 動(dòng) ，改 變 了 霍 爾 器 件 感 受 的 磁 場(chǎng) 大 小 及 方 向 ， 引 起 霍 爾 電 勢(shì) 的 大 小 和極 性 的 改 變 。 由 于 波 紋 膜 盒 及 霍 爾 器 件 的 靈 敏 度 很 高 ， 所 以 可 用 于 測(cè) 量 微 小 壓 力 的 變 化 。 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 v 上 圖 是 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 示 意 圖 。 在 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 的 轉(zhuǎn) 軸 上 安 裝 一 個(gè) 齒 盤 ，也 可 選 取 機(jī) 械 系 統(tǒng) 中 的 一 個(gè) 齒 輪 ， 將 線 性 形 霍 爾 器 件 及 磁 路 系 統(tǒng)靠 近 齒 盤 ， 隨 著 齒 盤 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 磁 路 的 磁 阻 也 周 期 性 地 變 化 ， 測(cè) 量霍 爾 元 件 輸 出 的 脈 沖 頻 率 經(jīng) 隔 直 、 放 大 、 整 形 后 就 可 以 確 定 被 測(cè) 物 的 轉(zhuǎn) 速 。